Теоретически наивысшую точность определения местоположения дает использование сигналов спутников одновременно и американской, и российской систем. Но на практике ситуация выглядит несколько сложнее

Основой серии публикаций послужили материалы отчета ГИС-Ассоциации о выполнении НИОКР Минэкономразвития России «Разработка концепции формирования инфраструктуры пространственных данных как элемента общегосударственных информационных ресурсов».
Исполнитель работ по соответствующему разделу отчета ООО «Геокосмос 3Д».
Руководитель работ С.А. Миллер.

Несмотря на широкое распространение недорогих и точных приемников GPS (США, Global Positioning System) глобальная система позиционирования, которая известна под именем NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging), интерес во всем мире к национальным системам спутникового позиционирования продолжает возрастать.

Космические системы позиционирования пытаются создать (самостоятельно или в сотрудничестве) страны, едва преодолевшие необходимую для этого технологическую планку. Все это происходит на фоне показательно доступных за пределами России бесплатных услуг американской GPS беспрецедентно высокой точности.

Недавно были опубликованы сообщения о двух событиях в области высокоточного спутникового позиционирования, которые произошли практически одновременно. Во-первых, китайская национальная система позиционирования на базе геостационарных спутников «Бэйдоу» с успешным запуском третьего из них стала способна обеспечивать пользователей данными о местоположении в трех измерениях (широта, долгота, высота). Во-вторых, после долгих споров страны-участницы Европейского космического агентства (Europen Space Agency) вынесли окончательный вердикт: европейская система позиционирования «Галилео» (Galileo) будет создана.

Проект «Галилео» предусматривает развертывание орбитальной системы из 30 спутников, в том числе резервных. Первый спутник вышел на орбиту в конце 2004 г., к 2008 г. система достигнет полной операционной готовности. Согласно расчетам «Галилео» позволит повысить точность прямого определения местоположения пользователя до 1 м без использования специальных режимов и дополнительных подсистем. Стоимость проекта составит примерно 3,6 млрд дол.

Несмотря на широкое распространение приемников GPS в мире и начало работ по европейской системе позиционирования «Галилео», даже в России непросто найти человека, имеющего опыт работы с отечественным аналогом GPS ГЛОНАСС.

Разработка GPS началась в 1973 г., в 1978 г. спутники системы выведены на орбиту. GPS признана готовой к эксплуатации в 1995 г., хотя еще до этого спутниковая навигация широко применялась как на транспорте и в быту, так и военными в частности, в ходе войны в Персидском заливе в 1991 г.

ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система) стала разрабатываться в СССР в середине 70-х годов XX в. и в 1993 г. была официально принята в эксплуатацию Министерством обороны России.
Американская GPS и отечественная ГЛОНАСС концептуально аналогичны и отличаются некоторыми аспектами технической реализации. В их основе орбитальные группировки спутников на круговых орбитах. Высота орбит такова, что спутники совершают примерно два оборота вокруг Земли в сутки (у GPS высота орбиты 20 150 км и период обращения 11 ч 57 мин, у ГЛОНАСС 19 100 км и 11 ч 16 мин соответственно).

Спутники распределены по нескольким орбитальным плоскостям: в ГЛОНАСС их три, в GPS шесть. В системах в полной конфигурации действуют 24 спутника (плюс три резервных). Пользовательские приемники позволяют определять местоположение регистрируют излучаемые видимыми в данной точке спутниками сигналы. Системы дают возможность определять не только координаты, но и время с высокой точностью.

Точность зависит от ряда факторов как технических, так и политических. При использовании приемника GPS удается получать точность порядка нескольких метров. До 2000 г. сигнал GPS, предназначенный для обычных пользователей, намеренно искажался, что вело к снижению точности (режим селективного доступа).
Историческим в развитии спутникового позиционирования стало решение президента США Б. Клинтона, который 1 мая 2000 г. специальным распоряжением отменил «загрубление» сигналов для гражданских пользователей. Теперь специальные режимы работы (дифференциальный, двухчастотный, фазовых измерений) позволяют получать достаточно высокую точность. Например, измерения фазы несущей в приемниках GPS (реализованные в серийной и имеющейся на рынке аппаратуре) позволяют получать точность определения расстояний между приемниками порядка 1 см + 1 мм на 1 км расстояния между ними.

Не совсем ясно, какой уровень точности сможет обеспечивать ГЛОНАСС даже при гипотетической ситуации полного развертывания. Сообщалось, что ее удалось улучшить до 1 м.
Открытость GPS привела не только к быстрому насыщению рынка недорогими, надежными и эффективными приемниками различных классов, но и к развитию большого числа вспомогательных сервисов и систем, значительно улучшивших точность позиционирования.

К ним в первую очередь относятся широкозонные и региональные дифференциальные подсистемы. К числу первых относятся WAAS (Wide Area Augmentation System) на американском континенте, европейская EGNOS и японская MSAS, передающие через геостационарные спутники корректирующую информацию на приемники пользователей. Региональные дифференциальные системы начинают развиваться в России, однако законодательные требования и прежде всего режимные ограничения, сводящие смысл использования GPS на нет, являются главным сдерживающим фактором в их развитии.

О динамике роста этого сегмента рынка можно судить по рис. 1 и 2.
Недавно военное ведомство США запросило дополнительное финансирование в размере 90 млн дол. для модификации 20 новых спутников, запуск первого из которых состоялся в 2004 г., а полностью группировка должна вступить в строй к 2006 г. Утверждается, что это приведет к повышению мощности сигналов и повысит их устойчивость к атмосферным помехам, а также к помехам, создаваемым намеренно возможным противником. Таким образом, новые радиопередатчики повысят мощность излучаемых спутниками сигналов в восемь раз. Некоторые эксперты cчитают, что цель повышения мощности передатчиков сохранить превосходство американской системы спутникового позиционирования над европейской гражданской системой «Галилео», которая должна давать сигнал большей мощности, чем обеспечивают сейчас спутники системы GPS.

Рис. 1. Рост объема продаж навигационных приемников GPS на примере стран Европы и Африки

Теоретически наивысшую точность определения местоположения дает использование сигналов спутников одновременно и американской, и российской систем. Но на практике ситуация выглядит несколько сложнее. Можно сказать, что ГЛОНАСС не оправдал ожиданий. При необходимости одновременной работы не менее 24 спутников их (в работоспособном состоянии) никогда не было больше 11 15. Например, по состоянию на январь 1999 г. на орбите работало 24 американских спутника, а российских всего 16, причем 5 из них в нерабочем состоянии.

Неточность в определении расстояний приводила к тому, что в этот период реальная точность измерения местоположения с помощью российской ГЛОНАСС колебалась от 100 до 24 000 м, что не в полной мере отвечает потребностям высокоточной навигации и геодезии. Как следствие, федеральное авиационное управление США FAA приостановило процесс выработки технических стандартов на использование ГЛОНАСС. Так было, напомним, в 1999 г. Сейчас спутников осталось всего восемь, и не все из них работают. По данным на 5 мая 2003 г. работало семь спутников, неравномерно распределенных по орбитальным плоскостям.
Состояние отечественной системы позиционирования в настоящее время не дает возможности эксплуатировать ее в соответствии с предъявляемыми техническими требованиями по банальной причине у страны нет на это ресурсов, и в обозримом будущем не предвидится. Стоимость эксплуатации сложных спутниковых систем будет во многом определяться продолжительностью работы самих спутников и частотой их замены. В этом отношении ГЛОНАСС опять явно уступает GPS.

Рис. 2. Планируемый доход рынка оборудования и услуг в Европе от использования систем GPS и «Галилео» (по данным западных аналитиков)

Судя по опубликованным данным, самый старый из работавших в мае 2004 г. спутников GPS был запущен в 1989 г. (возраст 14 лет), в то время как старейший спутник ГЛОНАСС в 1998 г. (5 лет). По спутникам первого поколения GPS (блок I), которые были выведены на орбиты в конце 70-х начале 80-х годов XX в., средняя продолжительность функционирования составила 7 12 лет. Поддержание состояния орбитальной группировки ГЛОНАСС с помощью недостаточно долговечных спутников приведет к значительному превышению стоимости ее эксплуатации по сравнению с конкурентом GPS.

В доведении ГЛОНАСС до рабочего состояния совместно с Россией было заинтересовано Европейское космическое агентство, рассматривавшее подобный вариант в качестве альтернативы созданию собственной полноценной системы «Галилео». Переговоры, однако, не увенчались успехом. Принято решение о создании «Галилео» исключительно силами европейских государств. Средства найдены, и, по всей видимости, к 2008 г. система будет введена в строй. А вот будет ли к тому времени существовать ГЛОНАСС, судить трудно.

Историю и перспективы развития космического сегмента описываемых систем можно оценить по рис. 3 и 4.
Однако одними лишь малым числом спутников проблемы ГЛОНАСС не исчерпываются есть еще наземный сегмент и аппаратура пользователей. Без достаточного количества недорогих, удобных и надежных пользовательских приемников полноценная эксплуатация системы невозможна.

Рис. 3. Современное и прогнозируемое состояние космического сегмента систем GPS, ГЛОНАСС и «Галилео»

Состояние российской промышленности и государственная политика в вопросе использования ГЛОНАСС не вселяют уверенности в том, что существует возможность обеспечить потребителей высококачественной серийной продукцией. А без массового производства невозможны ни доведение стоимости отдельного приемника до приемлемого уровня, ни отработка технологии. Некоторые эксперты полагают, что ГЛОНАСС находится в тяжелейшем положении и не имеет перспектив как коммерческая система, а рынок наземной потребительской аппаратуры для ГЛОНАСС находится в «коматозном» состоянии и его нельзя сравнивать ни по объему, ни по номенклатуре, ни по эксплуатационным характеристикам с рынком GPS, имеющим почти десятилетнюю историю». При этом анонсирование некоторыми западными и российскими компаниями выпуска совмещенных приемников ГЛОНАСС/GPS также не выведет ГЛОНАСС из этого состояния, так как цена этих приборов несопоставима со стоимостью комплексов GPS, а рынок для них весьма незначителен и фактически исчерпывается задачами аэронавигационного обеспечения.

Рис. 4. Прогнозируемое число пользователей GPS к 2010 г. (В России 15 млн., всего в мире 260 млн.)

Основные направления использования средств спутниковой навигации и геодезии классифицированы и многократно описаны.
В первую очередь это:
1. Собственно навигация и диспетчеризация граждан и транспортных средств.
2. Обеспечение безопасности граждан и сохранности их имущества.
3. Цифровое картографирование.
4. Сбор информации, требующей строгой координатной привязки, в том числе для ГИС.
5. Обеспечение трехмерного моделирования и построение трехмерных моделей местности и инженерных объектов инфраструктуры.

Основные пользователи спутниковых навигационных систем:
силовые структуры (авиация, военно-морской флот, погранслужба, десантные войска и др.);
транспорт (космический, воздушный, морской, речной, наземный);
гражданские отрасли (геодезия, картография, океанография, геофизика, землеустройство, геология, добыча полезных ископаемых, рыболовство, экология);
научные организации (фундаментальные, научно-экспериментальные исследования);
службы безопасности (население, автомобили, ценные грузы).

Практически ежедневно на новостных сайтах в Интернет появляются сообщения о новых применениях систем глобального позиционирования, о новых образцах продукции конечного пользователя, стоимость которых резко падает. В сложившихся условиях фактический запрет на массовое использование имеющихся на рынке приемников GPS не только наносит тяжелейший вред отечественной промышленности, жизненно заинтересованной в высокоточных пространственных данных, но и лишает возможности привнести культуру работы с высокоточными пространственными данными в широкие массы. Ситуация в этой области привычно парадоксальна. Страна с одной из лучших в мире школ картографии не имеет открытых и доступных высокоточных карт местности а значит, не имеет их вовсе (закрытые для широкого доступа карты тоже стремительно устаревают, причем тем быстрее, чем крупнее масштаб).

Ущерб государственным интересам, угрозу для которых сегодня в первую очередь представляет ситуация в экономике и в промышленности вследствие запрета на широкое использование GPS, трудно оценить достаточно представить на секунду, что в России требовалось бы получение специального разрешение на приобретение импортного компьютера, программного обеспечения или мобильного телефона. Страна, у которой от былого могущества остались разве что территории, лишается возможности отобразить эти территории и навести на них порядок. Тем самым она лишается перспектив.

Для развития ГЛОНАСС необходимо:
1. Отменить секретность на определение координат географических объектов, что давно противоречит здравому смыслу и не дает развиваться самому массовому сектору этого рынка частной навигации.
2. Обеспечить государственные гарантии в поддержании спутниковой группировки.
3. Разрешить ведущим поставщикам приборов спутникового позиционирования производить приемники ГЛОНАСС в виде совместного производства в России, что обеспечит поступление налогов в российский бюджет и будет способствовать финансовой поддержке спутниковой группировки.